基于DSP的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計

1、摘 要隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，人們對調(diào)速技術(shù)的要求也越來越高，而異步電動機在調(diào)速方面一直處于性能不佳的狀態(tài)。然而，變頻技術(shù)的出現(xiàn)改善了交流電機的調(diào)速性能，同時無速度傳感器和基于微處理器的數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)也開始逐漸進入人們研究和討論的范圍。作為高新技術(shù)之一的變頻技術(shù)是重要的節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，在各種工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸和家用電器中應用十分廣泛，變頻器作為變頻技術(shù)的產(chǎn)品，在我國工農(nóng)業(yè)等各方面有著極其重要的地位。 本文以三相交流異步電動機為被控對象TMS320LF240X定為處理器，通過SPWM控制技術(shù)對交流電機實現(xiàn)恒壓頻比控制，電機變頻調(diào)速的理論。介紹了SPWM控制技術(shù)的原理:包括單極性SPWM控制技術(shù)、雙極

2、性SPWM控制技術(shù)和SPWM的調(diào)制方式。給出了系統(tǒng)各部分硬件電路的工作原理、參數(shù)計算以及各部分器件的選取。系統(tǒng)硬件電路主要由主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路組成。主電路部分包括整流、濾波、逆變器，IPM驅(qū)動電路與吸收電路等;系統(tǒng)保護電路包括過壓、欠壓保護、限流啟動、IPM故障保護等;控制電路包括DSP最小系統(tǒng)電路。最后敘述了具體使用DSP編寫產(chǎn)生SPWM波形程序的步驟以及一些相關(guān)寄存器的設(shè)置。死區(qū)可以防止主電路橋臂短路現(xiàn)象的發(fā)生接著給出了SPWM波形的死區(qū)時間，這些波形說明電機可以穩(wěn)定運行并實現(xiàn)變頻調(diào)速。關(guān)鍵詞: DSP；智能功率模塊；恒壓頻比控制；SPWMAbstractAlong with

3、the development of agricultural production and technical requirements of speed, and more and more is also high in speed asynchronous motor is the poor performance of the state. However, the frequency conversion technology to improve the performance of ac motor speed, speed sensorless and microproces

4、sor-based digital control system is also gradually began to enter the scope of study and discuss people. As one of the high-tech frequency conversion technology is an important energy saving and environment protection technology, in various industrial production, transportation and widely used in ho

5、usehold appliances, inverter frequency conversion technology products, as in all aspects of our agriculture is very important position.Taking three-phase ac induction motor is accused of TMS320LF240X as processor, through the SPWM control technology to realize constant pressure frequency ac motor co

6、ntrol motor speed, the theory. Introduces the principle of SPWM control technology, including single polarity SPWM control technology, the dual polarity SPWM SPWM modulation and control technology. Given the parts hardware circuit principle, parameter calculation and each part of the device. The sys

7、tem hardware circuit consists mainly of main circuit, system protection circuit and control circuit. The main circuit includes rectifier, filtering, inverter, IPM drive circuit and absorbing circuit, etc. System protection circuit including over-voltage, protection, limited flow, fault protection; I

8、PM Control circuit including DSP smallest system circuit. Finally describes specific use DSP write produce SPWM wave process steps and some relevant register setting. Then gives SPWM wave of dead zone, dead zone can prevent the main electric circuit of road arm, After gives different frequencies whe

9、n the motor running voltage and current waveform, the line that the waveform can stable operation and motor inverter.Keywords : DSP Intelligent power module Constant pressure frequency than control SPWM 目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒論11.1 電機變頻調(diào)速發(fā)展現(xiàn)況和趨勢11.2電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況和趨勢21.3國內(nèi)外交流調(diào)速現(xiàn)狀2國外現(xiàn)狀2國內(nèi)現(xiàn)狀31.4本論文的研究內(nèi)容3第二

10、章 交流電機變頻調(diào)速原理52.1三相交流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理5三相交流電機的結(jié)構(gòu)5三相交流電機的工作原理62.2交流電機的調(diào)速方式72.3變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式82.4 SPWM控制技術(shù)原理10單極性SPWM控制技術(shù)11雙極性SPWM控制技術(shù)122.4.3 SPWM的調(diào)制方式13第三章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計163.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計163.2主電路的設(shè)計17整流電路18濾波電路18逆變電路19以IPM為功率器件的驅(qū)動電路21吸收電路223.3系統(tǒng)保護電路的設(shè)計22過壓、欠壓保護電路24限流啟動電路243.3.3 IPM故障保護電路253.4控制電路的設(shè)計263.4.1 DSP（TM

11、S320LF2407A)的最小系統(tǒng)電路273.4.2 DSP外圍接口電路設(shè)計28第四章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計294.1 DSP生成SPWM波形294.2系統(tǒng)程序設(shè)計31第五章 結(jié)論34致謝35參考文獻36第一章 緒論1.1 電機變頻調(diào)速發(fā)展現(xiàn)況和趨勢能源需求正極大地影響著全球經(jīng)濟發(fā)展。我國同樣也面臨著經(jīng)濟增長對能源需求的壓力。九十年代我國高耗能產(chǎn)品的耗能量比發(fā)達國家高12-55%，能源綜合利用效率僅為32%。 我國迫切需要提高能源利用效率。電機是能源消耗大戶之一。我國電機總裝機容量已達4億千瓦，年耗電量達6000億千瓦時，占工業(yè)耗電量的80%，然而直到目前，我國各類在用電機80%以上還是中小

12、型異步電動機，可見我國在電機節(jié)能領(lǐng)域有非常大的潛力。電機節(jié)能技術(shù)最受矚目的就是變頻調(diào)速技術(shù)。但是，我國變頻調(diào)速技術(shù)研究雖然非?；钴S，然而產(chǎn)業(yè)化仍很不理想，外國產(chǎn)品幾乎占據(jù)了我國變頻調(diào)速技術(shù)市場的60%。 以下將著重介紹變頻調(diào)速技術(shù)的最新發(fā)展概況。1永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)的發(fā)展具有快速電流跟蹤系統(tǒng)的變頻裝置、DSP信號處理器以及高性能釹鐵硼永磁材料的發(fā)展，為各類永磁同步電動機及其控制系統(tǒng)的發(fā)展帶來生機。 永磁同步無齡輪電動機及控制系統(tǒng)，是新一代的綠色電梯驅(qū)動裝置。國外該類電梯專用變頻裝置有十分完善的軟件支持，可接受任意位置傳感器的反饋信號，具有自學習功能，自動識別電動機參數(shù)，在實現(xiàn)磁場定向伺

13、服時，自動進行初始定位，具有和直流電動機一樣優(yōu)良的線性轉(zhuǎn)矩控制特性。其體積小、效率高、功率因數(shù)高、振動小、噪聲低，平層精度好，在高層建筑、無機房電梯和家庭小梯中都有很大的市場。2.變頻調(diào)速系統(tǒng)中PWM技術(shù)的發(fā)展PWM控制是變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心1，任何控法幾乎都是以各種PWM控制方式實現(xiàn)。九十年代以來的產(chǎn)品，正弦形PWM（SPWM）調(diào)制方法已逐步為以下方式取代：快速電流跟蹤PWM技術(shù)快速電流跟蹤型PWM逆變器為電流控制型的電壓源逆變器，一般采用滯環(huán)電流控制，使三相電流快速跟蹤指令電流。該逆變器硬件簡單，電流控制響應快，兼有電壓和電流控制型逆變器的優(yōu)點，普遍用于PMSM伺服系統(tǒng)和異步電動機矢量變換控

14、制系統(tǒng)。磁鏈跟蹤控制PWM技術(shù)這種方法把逆變器和電動機視為一體，以三相對稱正弦波電壓供電時交流電動機理想的圓形磁場為基準，用逆變器不同開關(guān)模式所產(chǎn)生的實際磁鏈矢量來跟蹤基準磁鏈園，由跟蹤結(jié)果決定逆變器的開關(guān)模式，形成PWM波。由于磁鏈的軌跡是靠空間矢量的選擇來實現(xiàn)，因此又稱電壓空間矢量法。直接轉(zhuǎn)矩的智能控制PWM技術(shù)常規(guī)的直接轉(zhuǎn)矩PWM技術(shù)無法區(qū)別轉(zhuǎn)矩、磁鏈的非常大的偏差和相對小的偏差，這將造成電機啟動期間系統(tǒng)的停滯。而采用智能控制中的模糊控制，可以通過定子磁鏈的空間位置，由一系列偏差的正大，正小等模糊語言，根據(jù)模糊規(guī)則推出逆變器的開關(guān)模式，使系統(tǒng)性能改善。雙PWM控制技術(shù)交一直一交電壓型逆變

15、器是目前最廣泛使用的型式，但常對電網(wǎng)構(gòu)成諧波污染。目前雙PWM控制技術(shù)的研究非?；钴S，即由PWM整流器和PWM逆變器組成的雙PWM變頻器無須任何附加電路就可使電網(wǎng)側(cè)的輸入電流接近正弦波，使系統(tǒng)的功率因數(shù)約為1，徹底消除網(wǎng)側(cè)的諧波污染，并實現(xiàn)了四象限運行。1.2電力電子技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)況和趨勢自從1956年第一只晶閘管的問世，電力電子技術(shù)作為電子技術(shù)的一個分支建立以來，電力電子技術(shù)已取得了令人注目的發(fā)展，早期的半控型電力電子器件SCR已逐漸被全控型半導體器件所代替，并發(fā)展出了多種高電壓、大電流、快速(高頻)、驅(qū)動簡單、復合化和智能化的功率半導體開關(guān)器件。例如，單極型器件有功率;雙極型全控器件有3:G

16、TR、達林頓管、GTO等;復合器件有IGBT，MCT，MGT，sITH等;近幾年發(fā)展的智能型功率器件IPM，SMARTFET，TOPSwctih等。其中場效應晶體管作為一種電壓控制型多子器件，具有快速、安全工作區(qū)大、容易驅(qū)動的特點，因此，近些年來復合型器件被廣泛應用在高頻開關(guān)和電機控制中，并隨著生產(chǎn)工藝和制造技術(shù)的發(fā)展，性能不斷被改進。例如MOSFET的通態(tài)內(nèi)阻不斷減小，新的MOSFET通態(tài)內(nèi)阻不僅比PN結(jié)的正向好，甚至比肖特基二極管的正向內(nèi)阻還小，己成為最佳的整流器件之一;以MOSFET為基礎(chǔ)的復合型器件IGBT、EIGT、MER(固態(tài)繼電器)、FETKEY(MOSFET+SCHOTTKY)

17、等器件耐壓不斷增加，電流逐漸增大。如目前IGBT耐壓已達到450V以上，EIGT已有4500v/1000A的產(chǎn)品。同時由于電壓控制型器件的應用，使功率開關(guān)管的驅(qū)動電路大大簡化，例如IGBT器件的門極驅(qū)動電路比雙極型晶體管的基極驅(qū)動電路所用的元器件要小得多，而且，所需要的驅(qū)動功率也比雙極型晶體管的基極驅(qū)動電路的要少很多，從而使將驅(qū)動電路和功率開關(guān)管集成在同一芯片或模塊中成為可能，并且經(jīng)過了近些年來的發(fā)展，功率電子器件制造公司以推出了多種有智能特性的復合器件或模塊，例如SMARTFET和護M，它們內(nèi)部不僅集成了各種自保護功能，也將控制芯片集成在里面。其中SMARTFET是采用了微電子工藝集成的器件

18、，IPM是一種智能功率模塊。從電力電子器件的發(fā)展歷程，我們可以看出電力電子器件正在向高耐壓、大電流、小的正向內(nèi)阻、智能化的電壓控制型器件發(fā)展。1.3國內(nèi)外交流調(diào)速現(xiàn)狀國外現(xiàn)狀在大功率交一交變頻調(diào)速技術(shù)方面，法國阿爾斯通己能提供單機容量達3萬的電氣傳動設(shè)備用于船舶推進系統(tǒng)。在大功率無換向器電機變頻調(diào)速技術(shù)方面，意大利ABB公司提供了單機容量為6萬的設(shè)備用于抽水蓄能電站。在中功率變頻調(diào)速技術(shù)方面，德國西門子公司simovertA電流型晶閘管變頻調(diào)速設(shè)備單機容量為10一2600kVA，其控制系統(tǒng)己實現(xiàn)全數(shù)字化，用于電力機車、風機、水泵傳動。在小功率交流變頻調(diào)速技術(shù)方面，日本富士BTJ變頻器最大單機容

19、量可達7OkVA，IGBT變頻器已形成系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)也已實現(xiàn)全數(shù)字化。國外交流變頻調(diào)速技術(shù)高速發(fā)展有以下特點:1)市場的大量需求。隨著工業(yè)自動化程度的不斷提高和能源的全球性短缺，變頻器越來越廣泛地應用在機械、紡織、化工、造紙、冶金、食品等各個行業(yè)以及風機、水泵等的節(jié)能場合，已取得顯著的經(jīng)濟效益。2)功率器件的發(fā)展。近年來高電壓、大電流的SCR，GTO，IGBT，IGCT等器件的生產(chǎn)以及并聯(lián)、串聯(lián)技術(shù)的發(fā)展應用，使高電壓、大功率變頻器產(chǎn)品的生產(chǎn)及應用成為現(xiàn)實。3)控制理論和微電子技術(shù)的發(fā)展。矢量控制、磁通控制、轉(zhuǎn)矩控制、模糊控制等新的控制理論為高性能的變頻器提供了理論基礎(chǔ)，16位、32位高

20、速微處理器以及數(shù)字信號處理器(DPS)和專用集成電路(ASIC)技術(shù)的快速發(fā)展，為實現(xiàn)變頻器高精度、多功能提供了硬件手段。4)基礎(chǔ)工業(yè)和各種制造業(yè)的高速發(fā)展，變頻器相關(guān)配套件社會化、專業(yè)化生產(chǎn)。國內(nèi)現(xiàn)狀從總體上看我國電氣傳動的技術(shù)水平較國際先進水平差距10一15年。在大功率交一交、無換向器電機等變頻技術(shù)方面，國內(nèi)只有少數(shù)科研單位有能力制造，但在數(shù)字化及系統(tǒng)可靠性方面與國外還有相當大的差距。在中小功率變頻技術(shù)方面，國內(nèi)學者作了大量的變頻理論的基礎(chǔ)研究，早在二十世紀80年代，已成功引入矢量控制的理論，針對交流電機具有多變量、強耦合、非線性的特點，采用了線性解耦合非線性解耦合的方法，探討交流電機變頻

21、調(diào)速的控制策略。隨著高性能單片機和數(shù)字信號處理器的使用，國內(nèi)學者緊跟國外最新控制策略，針對交流感應電機特點，采用高次諧波注入國內(nèi)交流變頻調(diào)速技術(shù)產(chǎn)業(yè)狀況表現(xiàn)如下:1) 變頻器的整機技術(shù)落后，國內(nèi)雖有很多單位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并沒有形成一定的技術(shù)和生產(chǎn)規(guī)模。2) 變頻器產(chǎn)品所用半導體功率器件的制造業(yè)幾乎是空白。3)相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)及行業(yè)落后。4)產(chǎn)銷量少，可靠性及工藝水平不高。1.4本論文的研究內(nèi)容本文在掌握交流電機變頻調(diào)速基本原理的基礎(chǔ)上，采用電機控制專用DSP芯片TMS320LF2407A，運用變頻調(diào)速的價廠控制方式和SPWM控制算法，提出了交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計方

22、案，有速度傳感器，控制電路比較簡單，電機選擇通用標準異步電動機，因此其通用性比較強，性能/價格比比較高。具體研究工作包括:交流電機變頻調(diào)速原理的研究;變頻調(diào)速系統(tǒng)硬件電路的研究和設(shè)計，包括主電路、系統(tǒng)保護電路和控制電路;變頻調(diào)速系統(tǒng)控制軟件的研究和設(shè)計。第二章 交流電機變頻調(diào)速原理2.1三相交流電機的結(jié)構(gòu)和工作原理三相交流電機的結(jié)構(gòu)定子是電動機的不動部分、它主要由鐵心、定子繞組和機座組成。定子繞組是定子中的電路部分，中，小型電動機一般采用漆包線繞制卜其三相對稱繞組共有六個出線端，每相繞組的首端和末端分別用D1,D2,D3和D4,D5,D6標記，可以根據(jù)電源電壓和電動機的額定于電壓把三相繞組接成

23、星形或三角形，參見圖2-1。 D3 D1 D5 D3 D1 D5 D4 D2 D6D2 D6 D4D2D1D6D5D1D4D2D3D4D3 D6D5 圖2-1三相交流異步電動機接線柱的聯(lián)接轉(zhuǎn)子是電動機的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子繞組和風扇等組成。轉(zhuǎn)子鐵心是一個圓柱體，也由硅鋼片疊壓而成，其外圓周表面沖有槽孔，以便嵌置轉(zhuǎn)子繞組。轉(zhuǎn)子繞組根據(jù)其構(gòu)造分為兩種形式:鼠籠式和線繞式。 (a)鼠籠式鼠籠式轉(zhuǎn)子是在轉(zhuǎn)子飲心的槽內(nèi)壓進銅條，銅條的兩端分別焊接在兩個銅環(huán)上，因其形狀如同鼠籠，故得名?，F(xiàn)在中、小型電動機更多地采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，即把熔化的鋁澆鑄在轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)，兩端的圓環(huán)及風扇也一并鑄成。用鑄鋁轉(zhuǎn)子

24、可節(jié)省銅材，簡化了制造工藝，降低了電機的成本。 (b)線繞式 其轉(zhuǎn)子鐵心與鼠籠式相同，不同的是在轉(zhuǎn)子的槽內(nèi)嵌置對稱的三相繞組。三相繞組接成星形，末端接在一起，首端分別接在轉(zhuǎn)軸上三個彼此絕緣的銅制滑環(huán)上。滑環(huán)對軸也是絕緣的，滑環(huán)通過電刷將轉(zhuǎn)子繞組的三個首端引到機座上的接線盒里，以便在轉(zhuǎn)子電路中串入附加電阻，用來改善電動機的起動和調(diào)速性能。 三相交流電機的工作原理 交流電動機是利用載流導體在磁場中產(chǎn)生電磁力的原理制成的。 假設(shè)將定子繞組聯(lián)接成星形，并接在三相電源上，繞組中便通入三相對稱電流: iU (2-1)iv=Imsin(t-1200) (2-2)Iw=Imsin(t+1200) (2-3)

25、三相電流共同產(chǎn)生的合成磁場將隨著電流的交變而在空間不斷地旋轉(zhuǎn)，即形成所謂的旋轉(zhuǎn)磁場，旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子導體，便在其中感應出電動勢和電流，如圖2-2所示。電動勢的方向可由右手定則確定。轉(zhuǎn)子導體電流與旋轉(zhuǎn)磁場相互作用便產(chǎn)生電磁力F 施加于導體上。電磁力F的方向可由左手定則確定。由電磁力產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而使電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的方向與磁場旋轉(zhuǎn)的方向相同，而磁場旋轉(zhuǎn)的方向與通入繞組的三相電流的相序有關(guān)。如果將聯(lián)接三相電源的三相繞組端子中的任意兩相對調(diào)，就可改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向。nFn0F 圖2-2轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動原理圖旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速no稱為同步轉(zhuǎn)速，其大小取決于電流頻率關(guān)和磁場的極對數(shù)p,當定子每相繞組只

26、有一個線圈時，繞組的始端之間相差1200空間角，如圖2-2所示，則產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場具有一對極，即p=1.當電流交變一次時，磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁場的(每分鐘)轉(zhuǎn)速no = 60f。若每相繞組有兩個線圈串聯(lián)，繞組的始端相差600空間角，則產(chǎn)生兩對極，即p=2。電流交變一次時，磁場在空間旋轉(zhuǎn)半周，即(每分鐘)轉(zhuǎn)速以此類推，可得 (2-4)式中:的單位為 在我國，工頻Hz，電動機常見極對數(shù)p=14 由工作原理可知，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速n必然小于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速所謂“異步”。二者相差的程度用轉(zhuǎn)差率來表示: (2-5)一般交流電動機在額定負載時的轉(zhuǎn)差率約為1%-9%。2.2交流電機的調(diào)速方式根據(jù)電機學原理知識，可

27、以得到交流電機的轉(zhuǎn)速公式為: (2-6)由式(2-6)可以看出，交流電機調(diào)速方法主要有三大類:其一是在電機中旋轉(zhuǎn)磁場的同步轉(zhuǎn)速恒定時，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)差率s，稱為變轉(zhuǎn)差率調(diào)速;其二是調(diào)節(jié)供電電源頻率，稱為變頻調(diào)速;三是改變電機定子繞組的極數(shù)，稱為變極調(diào)速。(1)變極調(diào)速:變極調(diào)速一般是通過改變定子繞組的接線方式來改變電動機的定子繞組極對數(shù)，從而達到調(diào)速的目的。它既不是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，也不是恒功率調(diào)速方式。 優(yōu)點: a具有較硬的機械特性，穩(wěn)定性良好。 b無轉(zhuǎn)差損耗，效率高。c接線簡單、控制方便，易維修、價格低。 缺點:有級調(diào)速，級差較大，不能獲得平滑調(diào)速，且由于受到電動機結(jié)構(gòu)和制造工藝的限制，通常只能實現(xiàn)

28、2-3種極對數(shù)的有級調(diào)速，調(diào)速范圍相當有限。(2)變轉(zhuǎn)差率調(diào)速:變轉(zhuǎn)差率調(diào)速實現(xiàn)方法眾多，例如調(diào)壓調(diào)速、轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速、串極調(diào)速和滑差離合器調(diào)速等方法。交流電動機的輸出功率的表達式為: (2-7)其中M電磁轉(zhuǎn)矩。電機旋轉(zhuǎn)磁場的速度。旋轉(zhuǎn)磁場的同步速度s轉(zhuǎn)差率式(2一7)中稱為交流電動機的轉(zhuǎn)差功率，這一部分功率主要消耗在轉(zhuǎn)子阻抗上。因此，當s增大時，電動機的損耗也將會增大。由此可以看出，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)差率、調(diào)速是一種耗能的調(diào)速方法，是低效率的調(diào)速方式。 (3)變頻調(diào)速:變頻調(diào)速是通過改變電動機定子電源的頻率，來實現(xiàn)調(diào)速的方法即調(diào)節(jié)來調(diào)速。在轉(zhuǎn)矩恒定時、基本不變，交流電動機的輸與輸入電磁功率。:成比例

29、變化，損耗基本沒有增加，是一種高效的調(diào)速方法。 優(yōu)點: 效率高，調(diào)速過程中無附加損耗。應用范圍廣，可用于籠型交流電動機。調(diào)速范圍大，特性硬，精度高。對于低負載運行時間較多或起停運行較頻繁的場合， 缺點: 技術(shù)復雜，造價高，維護檢修困難。從上述比較可以看出，與變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速相比，變頻調(diào)速可在寬廣的范圍內(nèi)實現(xiàn)無級調(diào)速，并可獲得很好的起動和運行特性，是一種效率比較高的調(diào)速方法。2.3變頻調(diào)速系統(tǒng)的控制方式電機定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，本質(zhì)上是定子繞組的自感電動勢。其三相交流異步電機每相電動勢的有效值是: (2-8)式中:氣隙磁通在定子每相中感應電動勢的有效值;與繞

30、組結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù);定子頻率;定子每相繞組串聯(lián)匝數(shù);每極氣隙磁通量; 由上式可見，如果定子每相電動勢的有效值不變，改變定子頻率時會出現(xiàn)下面兩種情況:如果大于電機的額定頻率廠N，那么氣隙磁通量中、就會小于額定氣隙磁通量中、。其結(jié)果是:盡管電機的鐵心沒有得到充分利用是一種浪費，但是在機械條件允許的情況下長期使用不會損壞電機。(1)基頻以下調(diào)速 由式(2-8)可知，要保持中不變，當頻率關(guān)從額定值向下調(diào)節(jié)時，必同時降低使常數(shù)，即采用電動勢與頻率之比恒定的控制方式。當電動勢的值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認為定子相電壓，則得常數(shù)。這是恒壓頻比的控制方式。在恒壓頻比的條件下改變頻率f時，我們能

31、證明:機械特性基本上是平行下移的，如圖2-4所示，當轉(zhuǎn)矩T增大到最大值后，特性曲線就折回來了。如果電動機在不同轉(zhuǎn)速n下都具有額定電流，則電機都能在溫升允許條件下長期運行，這時轉(zhuǎn)矩T基本上隨磁通變化，由于在基頻以下調(diào)速時磁通恒定，所以轉(zhuǎn)矩T也恒定。根據(jù)電機與拖動原理，在基頻以下調(diào)速屬于“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速”的性質(zhì)。低頻時，和都較小，定子阻抗壓降所占的分量就比較顯著，不能再忽略。nf1Nf1N>f2>f3>f4 nIN f2f3f40T 圖2-3基頻以下調(diào)速時的機械特性 nf4f4>f3>f2>f1Nf3f2恒Pf1N0T 圖2-4基頻以上調(diào)速時的機械特性(2)基頻以上

32、調(diào)速 在基頻以上調(diào)速時，頻率可以從往上增高，但電壓卻不能超過額定電壓, 最多只能保持=、。由式(2-8)可知，這將迫使磁通隨頻率升高而降低，相當于直流電機弱磁升速的情況。在基頻關(guān)以上變頻調(diào)速時，由于電壓=不變，我們不難證明當頻率提高時，同步轉(zhuǎn)速隨之提高，最大轉(zhuǎn)矩T減小，機械特性上移，如圖2-5所示。由于頻率提高而電壓不變，氣隙磁動勢必然減弱，導致轉(zhuǎn)矩T減小。由于轉(zhuǎn)速n升高了，可以認為輸出功率基本不變。把基頻以下和基頻以上兩種情況合起來，可得圖2-5所示的交流電動機變頻調(diào)速控制特性。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速U1恒功率調(diào)速U1NU10fNf1圖2-5交流電動機變頻調(diào)速控制特性2.4 SPWM控制技術(shù)原理 逆變器

33、的輸出波形是一系列等幅不等寬的矩形脈沖波形，這些波形與正弦波等效，等效的原則是每一區(qū)間的面積相等。如果把一個正弦半波分作n等分，然后把每一等分的正弦曲線與橫軸所包圍的面積都用一個與此面積相等的矩形脈沖來代替，矩形脈沖的幅值不變，各脈沖的中點與正弦波每一等分的中點相重合。這樣，有n個等幅不等寬的矩形脈沖所組成的波形就與正弦波的半周等效，稱為SPWM波形。SPWM波形如圖2-6所示。產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波SPWM的原理是;用一組等腰三角形波與一個正弦波進行比較，如圖2-7所示，其相交的時刻(即交點)來作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時刻。正弦波大于三角波時，使相應的開關(guān)器件導通;當正弦波小于三角載波時，使相

34、應的開關(guān)器件截止。u(a)0u0圖2-6與正弦波等效的等幅脈沖序列波101101 圖2-7 SPWM控制的基本原理圖單極性SPWM控制技術(shù)如圖2-8所示。這時的調(diào)制情況是:當正弦調(diào)制波電壓高于三角載波電壓時，相應比較器的輸出電壓為正電平，反之則為零電平。只要正弦調(diào)制波的最大澎氏于三角載波的由圖2-9（A)的調(diào)制結(jié)果必然形成圖2-9(B)所示的等幅不等寬而且兩側(cè)窄中間寬的SPWM脈寬調(diào)制波形。負半周用同樣的方法調(diào)制后再倒相而成。調(diào)制波載波（a）（B） (A)調(diào)制波和載波 (B)單極性SPWM波形圖2-8單極性脈寬調(diào)制波的形成V1ZV2圖2-9單極性調(diào)制工作特點 單極性調(diào)制的工作特點:每半個周期內(nèi)

35、，逆變橋同一橋臂的兩個逆變器件中，只有一個器件按脈沖系列的規(guī)律時通時斷的工作，另一個完全截止;而在另半個周期內(nèi)，兩個器件的工作情況正好相反。流經(jīng)負載Z的便是正、負交替的交變電流，如圖2-9所示。雙極性SPWM控制技術(shù)雙極性調(diào)制技術(shù)與單極性相同，只是功率開關(guān)器件通斷情況不一樣。繪出了三相雙極式的正弦脈寬調(diào)制波形。當A相調(diào)制波>時，V1導通，V2關(guān)斷，使負載上的相電壓為UA=+U/z(假設(shè)交流電機定子繞組為星型聯(lián)接，其中性點0與整流器輸出端濾波電容器的中點0相連，那么當逆變器任一相導通時在電機繞組上所獲得的相電壓為U/2,當，V1關(guān)斷而V2導通，則UA=-U/2 )所以A相電壓是以+U/2和

36、-U/2為幅值作正、負跳變的脈沖波形。同理，的是由V3和V4交替導通得到的，的是由V5和V6交替導通得到的。由和相減，可得逆變器輸出的線電壓波形。的脈沖幅值為+U和U。盡管相電壓是雙極性的，但是合成后的線電壓脈沖系列與單極性相電壓合成的結(jié)果一樣都是單極性的。綜上所述，雙極性調(diào)制的工作特點:逆變橋在工作時，同一橋臂的兩個逆變器件總是按相電壓脈沖系列的規(guī)律交替地導通和關(guān)斷，而流過負載Z的電流是按線電壓規(guī)律變化的交變電流，如圖2-10所示。V1ZV2 圖2-10雙極性調(diào)制工作特點 SPWM的調(diào)制方式SPWM波畢竟不是真正的正弦波，它仍然含有高次諧波的成分，因此盡量采取措施減少它。圖2-4-7是通過電

37、動機繞組的SPWM電流波形。顯然，它僅僅是通過電動機繞組濾波后的近似正弦波。圖中給出了載波在不同頻率時的SPWM電流波形，可見載波頻率越高，諧波波幅越小，SPWM波形越好。因此希望提高載波頻率來減小諧波。另外，高的載波頻率使變頻器和電機的噪聲進入超聲范圍，超出人的聽覺范圍之外，產(chǎn)生“靜音”的效果。但是，提高載波的頻率要受逆變開關(guān)管的最高開關(guān)頻率限制，而且也形成對周圍電路的干擾源。I (a)調(diào)制頻率較低時的電流波形 (b)載波頻率較高時的電流波形 圖2-12 SPWM電流波形SPWM的調(diào)制方式有三種:同步調(diào)制、異步調(diào)制和分段同步調(diào)制。在一個調(diào)制信號周期內(nèi)所包含的三角載波的個數(shù)稱為載波頻率比。在變

38、頻過程中艱口調(diào)制信號周期變化過程中，載波個數(shù)不變的調(diào)制稱為同步調(diào)制，載波個數(shù)才應變化的調(diào)制稱為異步調(diào)制。 （l)同步調(diào)制在改變正弦信號周期的同時成比例地改變載波周期，使載波周期與信號頻率的比值保持不變。對于三相系統(tǒng)，為了保證三相之間對稱，互差相位角，通常取載波頻率為3的整數(shù)倍。而且，為了雙極性調(diào)制時每相波形正負波形對稱，上述倍數(shù)必須是奇數(shù)，這樣在信號波處，載波的正負半周恰好分布在處的左右兩側(cè)。由于波形的左右對稱，這就不會出現(xiàn)偶次諧波問題。但是這種調(diào)制，在信號頻率較低時，載波的數(shù)量顯得稀疏，電流波形脈動大，諧波分量劇增，電動機的諧波損耗及脈動轉(zhuǎn)矩也相應增大。而且，此時載波的邊頻帶靠近信號波，容易

39、干擾基波頻域。為了克服這個缺點，必須在低頻時提高載波比，這就是異步調(diào)制方式。(2)異步調(diào)制異步調(diào)制方式是指在整個變頻范圍內(nèi)，載波比都是變化的。一般在改變調(diào)制頻率時保持三角載波頻率不變，因此提高了低頻時的載波比，在低頻工作時，逆變器輸出電壓半波內(nèi)的矩形脈沖數(shù)可以隨著輸出頻率的降低而增加，相應的減小了負載電機的轉(zhuǎn)矩與噪聲，改善了低頻時的工作特性。但是由于載波比隨著輸出頻率的降低而連續(xù)變化時，逆變器輸出電壓的波形其相位也會發(fā)生變化，很難保持三相輸出的對稱關(guān)系，因此會引起電動機的工作不穩(wěn)定。 （3）分段同步調(diào)制為了克服同步調(diào)制和異步調(diào)制的缺點，可以將他們結(jié)合起來，組成分段同步調(diào)制方式。分段同步調(diào)制是指

40、在一定的頻率范圍內(nèi)，采用同步調(diào)制，保持輸出波形對稱的優(yōu)點，當頻率降低較多時，使載波比分段有級的增加，這樣就利用了異步調(diào)制的優(yōu)點。具體實現(xiàn)方法是把逆變器整個變頻范圍劃分為若干個頻段，在每個頻段內(nèi)都維持載波比恒定，對于不同頻段取不同的載波比，頻率較低載波比取大點，一般有經(jīng)驗參數(shù)可取.第三章 變頻調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計3.1變頻調(diào)速系統(tǒng)的總體設(shè)計本文設(shè)計的系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407A為控制核心，其總體設(shè)計圖如圖3-1-1 M限流起動電壓檢測IPM故障保護泵升控制過欠壓保護驅(qū)動電路光電耦合頻率輸入中央處理器故障保護PWMIO接口IO接口 圖3-1基于DSP的變頻調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計圖其中主電

41、路部分由整流電路、濾波電路、逆變電路(和IPM驅(qū)動電路與吸收電路組成。幾其工作原理是把單相交流電壓通過不可控整流模塊變?yōu)橹绷麟妷海骱蟮拿}動電壓再經(jīng)過大電容平滑后成為穩(wěn)定的基于DSP的交流電機變頻調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計直流電壓。IPM逆變電路對該直流電壓進行斬波，形成電壓和頻率均可調(diào)的三相交流電，提供給電機。系統(tǒng)保護電路包括過壓、欠壓保護、限流啟動、IPM故障保護與泵升控制等。過壓，欠壓保護是利用電阻分壓采集母線電壓，與規(guī)定值相比較;限流啟動是由于開啟主回路時，大電容充電瞬間引起的電流過大，這樣可能會損壞整流橋，因此在主回路上串聯(lián)限流電阻R1，當電容電壓達到規(guī)定值時，啟動繼電器把R1短路，主回路進入

42、正常工作狀態(tài);IPM故障保護是IPM內(nèi)部集成的各種保護功能，包括過電流保護功能、短路保護功能、控制電源欠電壓保護和管殼及管芯溫度過熱保護。把上述各種故障信號進行綜合處理后形成總的故障信號送入DSP (TMS320LF2407A)的PDPINTA故障中斷入口，進而封鎖DSP的PWM波輸出。 控制電路包括DSP最小系統(tǒng)電路、頻率輸入電路、光耦隔離電路等。最小系統(tǒng)由DSP本身和外擴的數(shù)據(jù)SRAM,程序SRAM、復位電路、晶振、譯碼電路、電源轉(zhuǎn)換電路和仿真接口JTAG電路組成，仿真接口JTAG電路是為了實現(xiàn)在線仿真，同時在調(diào)試過程裝載數(shù)據(jù)代碼和程序代碼;頻率輸入電路可以設(shè)置系統(tǒng)要輸出的SPWM波的頻率

43、;光耦隔離電路是為了把DSP輸出的弱電信號和主電路的強電信號進行可靠隔離。3.2主電路的設(shè)計主電路原理圖如圖3-2所示，由整流電路、濾波電路、逆變電路(IPM)和IPM的吸收電路組成。主電路采用典型的交一直一交電壓源型通用變頻器結(jié)構(gòu)，輸入功率級采用單相橋式不可控整流電路RB1，整流輸出經(jīng)中間環(huán)節(jié)大電容(由C1到C4電容組成)濾波，獲得平滑的直流電壓。逆變部分通過功率器件IGBT的導通和關(guān)斷，輸出交變的脈沖電壓序列。由于功率器件開關(guān)頻率過高，會產(chǎn)生電壓尖脈沖，因此需要吸收電路來消除該尖峰。圖中C5為C型吸收電路，R6到R11和C6到C11組成RC型吸收電路。發(fā)光二極管DS1用來顯示濾波電容兩端的

44、電量。圖3-2主電路原理圖 下面詳細介紹各個部分電路及元件參數(shù)(被控電動機參數(shù)為:聯(lián)接，額定功率為= 60W,額定電壓=220V,額定電流=0.28A,額定頻率= 50Hz，額定轉(zhuǎn)速n=1400r/min.)整流電路整流電路由4個整流二極管組成單相不可控整流橋，它們將電源的單相交流全波整流成直流。整流電路因變頻器輸出功率大小不同而異。小功率的，輸入電源多用220V，整流電路為單相全波整流橋;大功率的，一般用三相380V電源，整流電路為三相橋式全波整流電路。本設(shè)計采用的是單相整流橋。整流二極管的計算，通過二極管的峰值電流: (3-1) 流過二極管電流的有效值: (3-2) 二極管電流定額:=1.

45、12一1.68A (3-3)考慮濾波電容的充電電流影響，要有更大的電流裕量，選用整流二極管的電壓定額: (3-4) 選用1000V。根據(jù)上面計算的電壓和電流以及市場價格和供貨情況，實際選用的單相整流橋為10A, 1000V.濾波電路在整流電路中輸出電壓是脈動的，另外，在逆變部分產(chǎn)生的脈動電流和負載變化也使得直流電壓產(chǎn)生脈動，為了將其中的交流成分盡可能的濾除掉，使之變成平滑的直流電，必須在其后加上一個低通濾波電路。這里采用常用的電容濾波電路，在整流輸出端并入大電容，整流輸出直流電壓含有很多偶次諧波，頻率越高，電容容抗越小，分流作用越大，諧波被濾除的就越多，輸出電壓的平均值就越大。濾波電容除了濾除

46、整流后的電壓紋波外，還在整流電路與逆變器之間起去耦作用，以消除相互干擾，這就給作為感性負載的電動機提供必要的無功功率。因而，中間直流電路電容器的電容量必須較大，起到儲能作用，所以中間直流電路的電容器又稱儲能電容器。在沒有加入濾波電容時，單相整流橋輸出平均直流電壓為: (3-5) 加上濾波電容后，的最高電壓可達交流線電壓的峰值: (3-6)假設(shè)輸入電壓的波動范圍為200V 240V，當輸入電壓對應240V的輸入，整流后的電壓為324V。又設(shè)電源功率因數(shù)為0.9，那么每一個周期，電容吸收的能量為: (3-7)式中為電機輸出功率，為峰值電壓，為最小交流輸入電壓。考慮到紋波的需要，最小的交流輸入電壓應

47、該在200V以上，所以有: (3-8)濾波電容理論上講越大越好，實際中考慮價格我們選擇4個450伏330叮的電解電容，分別兩個并聯(lián)后再2個串聯(lián)，最后等效為一個耐壓900伏330叮的電容。并聯(lián)在電容兩端的為均衡電阻，由于電容的各個參數(shù)不是完全相同，此均衡電阻使串聯(lián)的電容分壓相同，同時在電源關(guān)斷時，給電容提供一個放電回路，此電阻阻值選用47。電源指示 發(fā)光二極管DS1除了表示電源是否接通以外，還有一個十分重要的功能，即在主電路切斷電源后，顯示濾波電容上的電荷是否已經(jīng)釋放完畢。由于濾波電容的容量較大，而切斷電源又必須在逆變電路停止工作的狀態(tài)下進行，如果濾波電容沒有快速放電的回路，其放電時間往往長達數(shù)

48、分鐘。又由于濾波電容上的電壓較高，如電荷不放完，將對人身安全構(gòu)成威脅。逆變電路逆變電路的功率開關(guān)器件選用的是以絕緣柵雙極晶體管(IGBT)為核心的智能功率模塊(IPM) 。.IGBT是80年代出現(xiàn)的新一代復合型電力電子器件，它集合了MOSFET和GTR的優(yōu)點，適合于高速、低功耗的場合，如電機控制，開關(guān)電源等。IGB T具有耐壓高、電流大、開關(guān)頻率高、導通電阻小、控制功率小等特點。而智能功率模塊仁IPM)是將大功率開關(guān)器件和驅(qū)動電路、保護電路、檢測電路等集成在同一個模塊內(nèi)，是電力集成電路PIC的一種。目前的IPM一般采用IGBT作為大功率開關(guān)器件。(1) IPM的主要特性采用低飽和壓降，高開關(guān)速

49、度，內(nèi)設(shè)低損耗電流傳感器的IGBT功率器件。該電流傳感器是射極分流式采樣，電阻上流過的電流很小，且與開關(guān)流過的大電流成確定比例關(guān)系，從而可代替一般要外接的電流互感器，如霍爾電流傳感器等檢測元件。同時飽合壓降和開關(guān)速度之間的關(guān)系達到最優(yōu)化，具有足夠的安全工作區(qū)，能很好地滿足由控制IC給出的保護范圍。采用單電源邏輯電壓輸入優(yōu)化的柵極驅(qū)動，實行RTC(實時邏輯柵區(qū))控制模式。以嚴密的時序邏輯監(jiān)控保護，可防止過電流、短路、過熱及欠電壓等故障發(fā)生。帶RC信號干擾抑制和電源干擾抑制。IPM內(nèi)置各種保護功能。只要有一個保護電路起作用，IGBT的門極驅(qū)動電路即關(guān)閉，同時產(chǎn)生一個故障信號，可送至DSP進行相應處

50、理。 三相橋臂;內(nèi)含續(xù)流二極管;內(nèi)置驅(qū)動電路、保護電路和報警輸出電路。(2) IPM的選取IGBT正反向峰值電壓為: (3-9) IGBT電壓定額為: (3-10) 式中:1.5安全裕量 1.2考慮大電容濾波后的電感升高系數(shù)IGBT通態(tài)峰值電流為: (3-11)IGBT電流定額為: =1.5 x1.2 x0.79=1.42A (3-12) 式中:1.5安全裕量 1.2考慮電機的過載倍數(shù)故可選用l0A/600V的IPM模塊，型號為PM10RSH120(3)續(xù)流電路續(xù)流二極管的主要功能有:電動機的繞組是電感性的，其電流具有無功分量。續(xù)流二極管為 無功電流返回直流電源提供“通道”。當頻率下降、電動機

51、再生制動狀態(tài)時，再生電流將通過續(xù)流二極管返回直流回路。IGBT (Q1Q6)進行逆變的基本工作過程:同一橋臂的兩個逆變管，處于不停的交替導通和截止的狀態(tài)。在這交替導通和截止的換相過程中，也不時地需要續(xù)流二極管提供通路。(4)IPM逆變器開關(guān)頻率的確定在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，采用SPWM逆變電路可以大大降低逆變電路輸出電壓的諧波，使逆變電路的輸出電流接近正弦波。諧波的減少取決于逆變電路功率元件的開關(guān)頻率，而開關(guān)頻率則受器件開關(guān)時間的限制。盡管智能功率模塊IPM的開關(guān)頻率可達10 -20kHz，但在確定逆變電路開關(guān)頻率時，除了應使逆變電路輸出接近正弦波，還要考慮器件的開關(guān)損耗，以保證變頻調(diào)速系統(tǒng)具有較高

52、的效率。因此，必須全面衡量后再確定采用IPM的逆變電路的開關(guān)頻率。本系統(tǒng)開關(guān)頻率選用1.8kHz.以IPM為功率器件的驅(qū)動電路IPM逆變驅(qū)動接口電路如圖3-4所示仁上橋臂只以U相為例。（1）驅(qū)動電源當控制信號(柵極驅(qū)動)與主電流共用一個電流路徑時，由于主回路有很高的di/dt，至使在具有寄生電感的功率回路產(chǎn)生感應電壓，而導致可能感應到柵極把本來截止的IGBT導通。因此IPM驅(qū)動電源需要采用四組隔離電源。上橋臂每相各用一組電源，下橋臂三相共用一組。驅(qū)動電源電壓在13. 5V-16. 5V之間，IPM能夠正常工作。若電源電壓高于16. 5V，則IGBT因驅(qū)動電源電壓過高，保護性能得不到充分的保證，

53、高于20V時IGB T管的柵極會損壞，因此絕對不能加如此高的電壓。若電源電壓低于13. 5V, IGBT驅(qū)動電源電壓不足，這時控制信號為無效操作。典型的工作電壓一般取15V.制作驅(qū)動電源時，應盡量降低紋波電壓，還要使電源的附加噪聲降到最小?？稍诳刂齐娫摧敵龆私?0叮及0.1叮的濾波電容，保持電源平穩(wěn)，修正線路阻抗。(2)控制信號輸入控制電路電流與開關(guān)頻率有關(guān)、見表3-1，因此控制端加一個上拉電阻。上拉電阻應盡可能小以避免高阻抗IPM拾取噪聲，但又要足夠可靠地控制IPM。 在PWM信號輸入端必須用高速光耦進行隔離，一般取光耦的開關(guān)速度" < 0.8S、共模抑制比CMR >

54、，通常的型號有:HCPL4504, TLP559, 6N136，并且在光耦輸出端接一個退耦電容。單位mAN端P端DC20kHzDC20kHz型號Typ. Max.Typ. Max.Typ. Max.Typ. Max.PM10RSH12018 2523 327 108 12表3-1控制端電流與開關(guān)頻率的關(guān)系故障信號F使用時必須注意，當TFO=1.8ms典型值)有效時，IPM會關(guān)斷開關(guān)并使輸入無效。在F結(jié)束后，自動復位，同時使輸入有效。因而在F輸出時系統(tǒng)必須在1.8ms內(nèi)使PWM信號無效，等故障排除后方可重新有效。低速光耦可用于故障輸出端。 (3) IPM的自保護功能 IPM內(nèi)部集成自保護功能，共有4路保護，分別是上橋臂三路保護UFO,VFO I WFO，下橋臂公用保護F。每個保護都包括過溫、過流、欠壓、短路保護。如果其